摘 ?要：針對某大型客車半承載式車身車架連接結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，得到懸架前后關(guān)鍵截面的傳力路徑，并據(jù)此重構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，再通過尺寸優(yōu)化分析，確定相關(guān)結(jié)構(gòu)型材的厚度尺寸，得到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案;將優(yōu)化方案代入整車骨架中，進行結(jié)構(gòu)剛強度分析對比，則原始與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案整車骨架剛度性能相當，高應(yīng)力區(qū)域強度有所改善，并實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：半承載式;客車車身;拓撲優(yōu)化;尺寸優(yōu)化;輕量化

中圖分類號：U469.72 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0125-04

Structural Optimization Design Of Connection Section Between Body and Chassis Frame Of Semi-integral Bus Body

WU Chang-feng

（ Xiamen King-long United Automotive Industry Co.， Ltd， Fujian Provincial key Laboratory of Bus Safety and Energy-Saving Technology ， Xiamen 361023， China ）

Abstract： Aiming at the connection structure of the semi load-bearing body frame of a large bus， the optimization design is carried out. Through the structural topology optimization， the force transmission path of the front and rear key sections of the suspension is obtained， and the structural form is reconstructed accordingly. Then， through the size optimization analysis， the thickness size of the relevant structural profiles is determined， and the optimal design scheme of the structure is obtained. The optimal scheme is substituted into the vehicle skeleton for structural rigidity analysis Through the analysis and comparison of stiffness， the stiffness performance of the original and optimized structure is equivalent， the strength of high stress area is improved， and the lightweight design is realized.

Key words： Semi-integral; Bus body; Topology Optimization; Size Optimization; Lightweight

吳長風

畢業(yè)于吉林大學，博士，現(xiàn)就職于廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司工程研究院，高級工程師，任職專業(yè)總師，主要研究汽車碰撞安全與輕量化技術(shù)。

半承載式客車車身底架中間為桁架結(jié)構(gòu)，前后段為槽鋼結(jié)構(gòu)，車架具有較大承載能力，底盤可獨立運行，實現(xiàn)車身底盤的并行制造，工藝性較簡便，成本相對較低，在國內(nèi)團體以及海外市場仍然占據(jù)較大的份額。

半承載式車身結(jié)構(gòu)在制造過程中，車身與車架連接結(jié)構(gòu)為車身與底盤扣合時進行焊接，中間連接結(jié)構(gòu)包括小截面桿件、U型槽鋼等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)用材剛度存在較大差異，結(jié)構(gòu)設(shè)計形式比較多樣，是車輛使用過程中較容易出現(xiàn)開裂等結(jié)構(gòu)破壞。

半承載式大客車底盤主要由貨車底盤設(shè)計演變，車身車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計多數(shù)依靠經(jīng)驗為主，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，基于有限元法與CAE的方法在客車車身骨架設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，尤其拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化的應(yīng)用，能夠為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更加科學合理的傳力路徑[4-6]，可有效提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，并可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計[7-8]。

1 ? ?骨架結(jié)構(gòu)特點描述

本文以11m板簧三段式公路車半承載式車身結(jié)構(gòu)為研究對象，底架結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)具有以下特點：

1）前段和后段車架下層為槽型大梁，車架上層為大規(guī)格的方鋼。前段和后段車架與車身的連接形成一種復(fù)合的斷面結(jié)構(gòu)，由傳統(tǒng)的槽型外伸梁（俗稱“牛腿”）[9]，配合若干根方鋼組成，懸架段的連接結(jié)構(gòu)由于是地面入力的關(guān)鍵節(jié)點，為了可靠性，往往容易過盈設(shè)計。

2）車架中段上層是大規(guī)格方鋼，下層出于行李艙空間的考慮，取消槽型大梁，改用小截面方鋼桁架結(jié)構(gòu)與車身連接，比較懸架段結(jié)構(gòu)，受力相對不苛刻。

本文在保證整車彎、扭剛度的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計牛腿斷面拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理傳力設(shè)計與輕量化。首先以彎、扭剛度計算工況的加權(quán)柔度最小化為目標，對牛腿及其附屬方鋼結(jié)構(gòu)所形成的斷面進行拓撲優(yōu)化，以獲得最合理的牛腿減重孔的位置及方鋼的傳力路徑。根據(jù)拓撲優(yōu)化的結(jié)果對牛腿設(shè)計減重孔，同時重構(gòu)方鋼搭接結(jié)構(gòu)，形成完整的斷面結(jié)構(gòu);對牛腿和附屬方鋼進行基于尺寸優(yōu)化的靈敏度分析，根據(jù)靈敏度重新配置方鋼厚度，對比改進前后輕量化、剛強度性能變化是否滿足既定目標。

2 ? ?拓撲優(yōu)化與結(jié)構(gòu)重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

基于整車骨架模型，定義連接截面，進行拓撲優(yōu)化與結(jié)構(gòu)重構(gòu)，并進行尺寸優(yōu)化，確定優(yōu)化結(jié)構(gòu)具體板厚，完成輕量化設(shè)計。

2.1 ? 拓撲優(yōu)化

為保證拓撲路徑清晰且滿足項目要求，本次拓撲優(yōu)化的模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：

1）采用彎、扭剛度的工況進行拓撲優(yōu)化，并以加權(quán)彎、扭工況柔度的最小化為目標值，根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)置彎曲權(quán)重0.8，左右扭轉(zhuǎn)各為0.1加權(quán)系數(shù);

2）為能夠牛腿開孔區(qū)域拓撲變量不限制最大最小成員尺寸，體積分數(shù)限制上限為0.8，優(yōu)化結(jié)果能夠比較清晰顯出開孔具體區(qū)域;

3）牛腿附屬方鋼結(jié)構(gòu)的拓撲變量需要限制最大最小成員尺寸，體積分數(shù)限制上限為0.1～0.2之間，可讓傳力路徑更加清晰，以便于方鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計;

4）由于要求統(tǒng)一斷面，所以對設(shè)計空間大小相近的拓撲結(jié)構(gòu)需設(shè)置模式重復(fù)。

拓撲優(yōu)化模型如圖2所示，取前后懸架斷面以及發(fā)動機斷面底架與車架連接區(qū)域為優(yōu)化空間。

拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，藍色區(qū)域為可去除材料區(qū)域，其他即為最優(yōu)傳力路徑，可為該區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

2.2 ? 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

根據(jù)拓撲優(yōu)化的傳力路徑，進行截面結(jié)構(gòu)重構(gòu)，如圖4所示，根據(jù)拓撲結(jié)果進行工程設(shè)計轉(zhuǎn)化與重構(gòu)，典型截面重構(gòu)如圖5所示，所有優(yōu)化截面完成重構(gòu)后，進行基于整車的尺寸優(yōu)化分析。

2.3 ? 尺寸優(yōu)化

對重構(gòu)后正常骨架模型進行基于尺寸優(yōu)化的靈敏度分析，為重新配置各零件厚度提供依據(jù)。

尺寸優(yōu)化第1步的相對靈敏度輸出結(jié)果如圖6所示。圖中1～8為設(shè)置的8個厚度尺寸變量（1-1號斜撐厚度、2-2號斜撐厚度、3-3號八角厚度、4-4號立柱厚度、5-5號斜撐厚度、6-6號斜撐厚度、7-7號兩根短立柱厚度、8-8號牛腿厚度等），具體位置如圖7所示，柱形的高度代表每增加單位質(zhì)量的該號變量對加權(quán)彎、扭剛度的貢獻程度。

除了牛腿的初始厚度為3.0mm外，其余附屬方鋼的初始厚度均為2.0mm?？梢钥吹?，3號和7號變量的相對靈敏度較高，增加厚度的性價比較高，故調(diào)整3、7號變量的厚度為3mm;4、5、8號變量的相對靈敏度居中，保持不變;而2、6號變量的相對靈敏度較低，理論上應(yīng)當減小厚度，考慮到2號變量在斷面中是主要的承載結(jié)構(gòu)，故2號變量的厚度保持2mm不變，而6號變量的厚度調(diào)整為1.5mm，則最終改進方案結(jié)構(gòu)與厚度均確定。

3 ? ?優(yōu)化前后剛度分析對比

分析優(yōu)化設(shè)計前后進行整車骨架靜彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度，對比結(jié)果如表1所示：

由以上表格可以看到，通過優(yōu)化設(shè)計，彎、扭剛度基本和原車型持平，并且輕量化37kg。

4 ? ?優(yōu)化前后強度分析對比

通過客車常用四工況法，進行整車骨架強度分析與對比，總體應(yīng)力水平如表2所示，各個工況下，相關(guān)區(qū)域，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力水平有所降低，結(jié)構(gòu)受力更加合理。圖8、圖9位優(yōu)化后結(jié)構(gòu)彎曲與扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力分布圖。

上述強度分析表明，優(yōu)化設(shè)計方案結(jié)構(gòu)受力更加合理，局部關(guān)鍵點應(yīng)力水平呈現(xiàn)下降趨勢，結(jié)構(gòu)強度有所改善。

5 ? ? 結(jié)束語

本文針對半承載式大客車車架與車身結(jié)構(gòu)連接斷面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計為目標，同時保證結(jié)構(gòu)剛強度相當?shù)臈l件下，實現(xiàn)了輕量化37kg，該方法可以為該區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學依據(jù)，并可有效改進與優(yōu)化半承載式車身與車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)材料有效利用與輕量化設(shè)計。

參考文獻：

[1]戚葉烽，謝鑫，馬苗.某客車車架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].汽車科技，2017（01）：55-59.

[2]楊東升，毛洪海，張欽超，等. 車身骨架斷裂問題分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 機械制造與自動化， 2019（4）.

[3]王亮，余英俊，余健.純電動客車輕量化設(shè)計方法研究[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（05）：4-7.

[4]謝素明，袁騰，黃福偉，等.考慮屈曲響應(yīng)的碳鋼客車車體底架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化[J].大連交通大學學報，2019，40（03）：36-39+60.

[5]黃妮，戴作強，鄭莉莉，等.氫燃料電池客車車架有限元分析及多剛度拓撲優(yōu)化研究[J].制造業(yè)自動化，2018，40（12）：45-50+60.

[6]王文甲，吳長風，張勇，等.客車骨架局部結(jié)構(gòu)的多工況拓撲優(yōu)化設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究，2018，40（01）：26-29.

[7]劉通，楊和利.基于拓撲理論的新能源客車車身優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（03） ：56-58.

[8]郝守海，胡蓉，徐茂林，等.混合動力客車全鋁合金車身頂蓋骨架優(yōu)化設(shè)計[J].汽車技術(shù)，2016 （06）：11-15.

[9]劉開春. 客車車身設(shè)計[M]. 機械工業(yè)出版社，2015.